Microstructure and mechanical properties comparison in MIG-welded 6082 produced with heat-treatable TiB containing filler metal and conventional aluminum filler metals
Diese Studie vergleilt die Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften von MIG-geschweißten 6082-Aluminiumverbindungen unter Verwendung eines wärmebehandelbaren, TiB-haltigen 6063-Zusatzwerkstoffs gegenüber den herkömmlichen Zusatzwerkstoffen 5356 und 4043 und zeigt auf, dass der 6063-Zusatzwerkstoff zwar die Korngröße signifikant verfeinert, letztlich jedoch zu einer geringeren Härte, einer erhöhten Anfälligkeit für Porosität und einer reduzierten mechanischen Gesamtleistung führt.
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In der Welt des modernen Ingenieurwesens ist Aluminium ein bevorzugtes Material für die Konstruktion von Dingen, die stark, aber leicht sein müssen, von Autorahmen bis hin zu Flugzeugteilen. Eine ganz bestimmte Sorte, bekannt als 6082-Legierung, wird besonders geschätzt, da sie wärmebehandelt werden kann, um sehr hart und widerstandsfähig zu werden. Das Zusammenfügen dieser Teile ist jedoch schwierig. Wenn man Aluminium schmilzt, um es zu schweißen, zerstört die intensive Hitze oft die sorgfältig angeordnete interne Struktur, die das Metall stark macht, wodurch die Schweißnaht weicher und schwächer als der Rest des Bauteils wird. Um dies zu beheben, fügen Ingenieure üblicherweise einen Fülldraht hinzu – einen dünnen Metallstab, der in den Spalt schmilzt, um die Teile zusammenzuhalten. Die Wahl dieses Fülldrahtes ist entscheidend, da sie die endgültige Festigkeit und das Verhalten der Schweißnaht bestimmt. Seit Jahrzehnten besteht der Standardansatz darin, bekannte, konventionelle Drähte zu verwenden, doch Forscher haben sich lange gefragt, ob das Hinzufügen spezieller Partikel zum Füllmaterial die interne Kornstruktur des Metalls verfeinern könnte, um die Schweißnaht stärker und zuverlässiger zu machen.
Ein Forschungsteam der LUT Universität in Finnland setzte sich zum Ziel, eine neue Idee zu testen: die Verwendung eines Fülldrahtes, der winzige Partikel aus Titan und Bor enthält, die darauf ausgelegt sind, als Keime für das Metall beim Abkühlen zu fungieren. Sie schweißten Platten aus der 6-082-Aluminiumlegierung mit zwei verschiedenen Methoden. Die erste war ein standardmäßiger, stetiger Schweißprozess. Die zweite war eine fortschrittlichere Technik, bei der der Schweißdraht kontrolliert vor und zurück bewegt wird, um die Hitzeeinwirkung zu senken und den Lichtbogen zu stabilisieren. Sie verglichen diese neuen, partikelangereicherten Schweißnähte mit Verbindungen, die mit zwei traditionellen Fülldrähten hergestellt wurden, die in der Industrie üblich sind. Ihr Ziel war es zu sehen, ob die neue Kombination aus speziellem Füllstoff und Low-Heat-Schweißen eine überlegene Verbindung schaffen würde oder ob die komplexe Chemie neue Probleme verursachen würde.
Die Forscher begannen damit, ein detailliertes Computermodell zu erstellen, um den Wärmefluss während des Schweißens zu simulieren, welches sie durch reale Messungen bestätigten. Dann schweißten sie die Aluminiumplatten und untersuchten die Ergebnisse mit leistungsstarken Mikroskopen und Röntgenscannern. Das auffälligste visuelle Ergebnis war, dass der Fülldraht mit den Titan- und Borpartikeln genau das tat, wofür er entworfen worden war: Er erzeugte eine viel feinere, gleichmäßigere Kornstruktur im geschmolzenen Metall. In den Proben, die mit diesem speziellen Draht hergestellt wurden, waren die Körner signifikant kleiner und gleichmäßiger geformt als in den Proben, die mit konventionellen Drähten hergestellt wurden. Die Forscher fanden auch heraus, dass die fortgeschrittene Low-Heat-Schweißmethode half, die Größe des Schweißdrahtes zu reduzieren, aber für sich genommen nicht das gleiche Maß an Kornverfeinerung wie der spezielle Fülldraht erreichte.
Die Geschichte nahm jedoch eine unerwartete Wendung, als das Team testete, wie stark diese neuen Schweißnähte tatsächlich waren. Trotz einer wunderschönen verfeinerten internen Struktur schnitten die Verbindungen, die mit dem Titan-Bor-Fülldraht hergestellt wurden, schlechter ab als jene mit den traditionellen Drähten. Bei einem Zugversuch brachen die Proben mit dem speziellen Füllstoff viel leichter und zeigten eine geringere Fähigkeit, sich vor dem Versagen zu dehnen. Tatsächlich wies die Schweißnaht, die mit dem speziellen Füllstoff und der Low-Heat-Methode (W6R) hergestellt wurde, die geringste ultimative Zugfestigkeit und Dehnung unter allen Schweißproben auf, während die Probe mit dem speziellen Füllstoff und Standard-Schweißen (W6N) ebenfalls eine reduzierte Verformungsfähigkeit im Vergleich zu den anderen zeigte. Die Forscher entdeckten, dass das Problem nicht die Korngröße war, sondern die Qualität des Metalls selbst. Der spezielle Fülldraht war anfällig für die Bildung winziger interner Löcher, bekannt als Porosität, und Schrumpfungshohlräume, während das Metall abkühlte. Diese mikroskopischen Defekte wirkten als Schwachstellen, an denen Risse entstehen konnten.
Darüber hinaus führte die chemische Zusammensetzung des speziellen Fülldrahtes zu einem Schweißgut, das von Natur aus weicher war als das umliegende Material. Während die traditionellen Schweißnähte dazu neigten, in der Wärmeeinflusszone auszufallen – einem Bereich neben der Schweißnaht, der durch die Hitze natürlich aufweicht –, versagten die neuen, partikelfüllten Schweißnähte direkt an der Kante der Schweißnaht selbst. Das Metall in der Schweißnaht war so weich und von winzigen Hohlräumen durchsetzt, dass es die Last nicht halten konnte, was zu einem vorzeitigen Bruch der Verbindung führte. Die Studie zeigte auch, dass die Anzahl der durch Röntgen-Scanning detektierten winzigen Löcher nicht die ganze Geschichte erzählte; eine Probe mit mehr Löchern, aber stärkerem Metall, hielt besser stand als eine Probe mit weniger Löchern, aber schwächerem Metall.
Letztendlich legt die Forschung nahe, dass das Hinzufügen von körnungsverfeinernden Partikeln zu einem Fülldraht zwar erfolgreich eine feinere Mikrostruktur erzeugen kann, dies allein jedoch nicht ausreicht, um eine stärkere Schweißnaht zu garantieren. In diesem spezifischen Fall bewirkten die durch den speziellen Füllstoff eingeführten chemischen Veränderungen, dass das Metall anfälliger für Defekte wurde und seine Gesamtfestigkeit verlor, was die Vorteile der feineren Körner übertraf. Die fortgeschrittene Schweißmethode half zwar, die Hitze zu kontrollieren, konnte aber die metallurgischen Probleme, die durch die Zusammensetzung des Fülldrahtes verursacht wurden, nicht verhindern. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es für diese Art von Aluminiumlegierung derzeit zuverlässiger ist, bei konventionellen Füllmetallen zu bleiben, und dass die bloße Verfeinerung der Kornstruktur keine magische Lösung ist, wenn die Fähigkeit des Materials, Rissen und Erweichung zu widerstehen, beeinträchtigt wird.
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